Jį išrado mokslininkų grupė, vadovaujama kinų profesoriaus Gao Chao iš Džedziango universiteto, ir tai sukėlė sensaciją mokslo pasaulyje. Grafenas, pati savaime neįtikėtinai lengva medžiaga, plačiai naudojamas šiuolaikinėse nanotechnologijose. Ir mokslininkams pavyko iš jos gauti porėtą medžiagą – lengviausią pasaulyje.
Grafeno aerogelis buvo gaminamas taip pat, kaip ir kiti aerogeliai – džiovinant sublimaciniu būdu. Porėta kempinė, pagaminta iš anglies-grafeno medžiagos, beveik visiškai nukopijuoja bet kokią formą, o tai reiškia, kad aerogelio kiekis priklauso tik nuo talpyklos tūrio.
Kalbant apie chemines savybes, aerogelio tankis yra mažesnis nei vandenilio ir helio. Mokslininkai patvirtino jo didelį stiprumą ir didelį elastingumą. Ir tai nepaisant to, kad grafeno aerogelis sugeria ir išlaiko organinių medžiagų tūrį, beveik 900 kartų didesnį už savo masę! 1 gramas aerogelio tiesiogine prasme gali absorbuoti 68,8 gramo bet kokios vandenyje netirpios medžiagos per sekundę. Tai nuostabu ir galbūt labai greitai visi poeli.ru barai ir visi viešbučiai naudos šią medžiagą savo tikslams pritraukti lankytojų.
Aplinkos bendruomenę labai sudomino dar viena naujosios medžiagos savybė – grafeno kempinės gebėjimas sugerti organines medžiagas, kurios padės pašalinti žmogaus sukeltų avarijų pasekmes.
Galima grafeno, kaip cheminių reakcijų katalizatoriaus, savybė yra skirta saugojimo sistemose ir sudėtingų kompozitinių medžiagų gamyboje.
Nuo 2011 m. mokslininkai sukūrė keletą naujoviškų medžiagų, kurios savo ruožtu turėjo „lengviausios medžiagos planetoje“ titulą. Pirmiausia – anglies nanovamzdelių pagrindu pagamintas aerogelis (4 mg/cm3), vėliau – mikrogardelės struktūros medžiaga (0,9 mg/cm3), vėliau – aerografitas (0,18 mg/cm3). Tačiau šiandien lengviausia medžiaga yra grafeno aerogelis, kurio tankis yra 0,16 mg/cm3.
Šis atradimas, priklausantis Džedziango universiteto (Kinija) mokslininkų grupei, vadovaujamai profesoriaus Gao Chao, sukėlė tikrą sensaciją šiuolaikiniame moksle. Pats grafenas yra neįprastai lengva medžiaga, plačiai naudojama šiuolaikinėse nanotechnologijose. Iš pradžių mokslininkai jį panaudojo kurdami vienmačius grafeno pluoštus, vėliau – dvimačius grafeno juosteles, o dabar prie grafeno buvo pridėtas trečias matmuo, todėl akyta medžiaga tapo lengviausia medžiaga pasaulyje.
Porėtos medžiagos gavimo iš grafeno metodas vadinamas džiovinimu šalčiu. Kiti aerogeliai ruošiami tokiu pat būdu. Porėta anglies-grafeno kempinė gali beveik visiškai pakartoti bet kokią jai suteiktą formą. Kitaip tariant, pagaminto grafeno aerogelio kiekis priklauso tik nuo konteinerio tūrio.
Mokslininkai drąsiai skelbia tokias savybes kaip didelis stiprumas ir elastingumas. Tuo pačiu metu garfen aerogelis gali sugerti ir išlaikyti organinių medžiagų kiekį iki 900 kartų didesnį už savo svorį! Taigi per sekundę 1 gramas aerogelio gali sugerti 68,8 gramo bet kokios vandenyje netirpstančios medžiagos.
Ši naujoviškos medžiagos savybė iš karto sudomino aplinkosaugininkus. Juk tokiu būdu galima greitai pašalinti žmogaus sukeltų nelaimingų atsitikimų pasekmes, pavyzdžiui, naudojant aerogelį naftos išsiliejimo vietose.
Be naudos aplinkai, grafeno aerogelis turi didžiulį energijos potencialą, ypač planuojama jį naudoti saugojimo sistemose. Šiuo atveju aerogelis gali būti tam tikrų cheminių reakcijų katalizatorius. Be to, grafeno aerogelis jau pradedamas naudoti sudėtingose kompozicinėse medžiagose.
Grafeno ir anglies nanovamzdelių derinys leido gauti anglies aerogelį be aerogelių, pagamintų tik iš grafeno arba tik iš nanovamzdelių, trūkumų. Naujoji anglies kompozitinė medžiaga, be įprastų visiems aerogeliams savybių – itin mažo tankio, kietumo ir žemo šilumos laidumo – taip pat pasižymi dideliu elastingumu (sugebėjimu atstatyti formą po pakartotinio suspaudimo ir tempimo) bei puikiu gebėjimu sugerti organinius skysčius. . Pastaroji savybė gali būti pritaikyta reaguojant į naftos išsiliejimą.
Įsivaizduokime, kad uždarą indą kaitiname skysčiu ir šio skysčio garais. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo daugiau skysčio išgaruos, virsdamas dujine faze, ir tuo didesnis bus slėgis, o kartu ir dujų fazės tankis (tiesą sakant, išgaravusių molekulių skaičius). Esant tam tikram slėgiui ir temperatūrai, kurios vertė priklausys nuo to, kokios medžiagos yra inde, molekulių tankis skystyje bus toks pat kaip ir dujų fazėje. Tokia skysčio būsena vadinama superkritinis. Šioje būsenoje nėra skirtumo tarp skysčio ir dujų fazių, todėl nėra paviršiaus įtempimo.
Dar lengvesni (mažiau tankūs) aerogeliai gaunami cheminiu būdu nusodinant medžiagą, kuri veiks kaip kieta aerogelio fazė ant anksčiau paruošto porėto pagrindo, kuris vėliau ištirpinamas. Šis metodas leidžia reguliuoti kietosios fazės tankį (reguliuojant nusėdusios medžiagos kiekį) ir jos struktūrą (naudojant reikiamos struktūros substratą).
Dėl savo struktūros aerogeliai turi unikalių savybių rinkinį. Nors jų stiprumas artimas kietųjų medžiagų stiprumui (1A pav.), jų tankis panašus į dujų tankį. Taigi geriausių kvarco aerogelio mėginių tankis yra apie 2 mg/cm 3 (į sudėtį įtraukto oro tankis yra 1,2 mg/cm 3), o tai yra tūkstantį kartų mažesnis nei neakytų kietų medžiagų. .
Aerogeliai taip pat turi labai mažą šilumos laidumą (1B pav.), nes šiluma turi keliauti sudėtingu keliu per šakotą labai plonų nanodalelių grandinių tinklą. Tuo pačiu metu šilumos perdavimas per oro fazę taip pat yra sunkus dėl to, kad tos pačios grandinės neleidžia konvekcijai, be kurios oro šilumos laidumas yra labai mažas.
Kita aerogelio savybė – nepaprastas poringumas – leido į Žemę nugabenti tarpplanetinių dulkių mėginius (žr. Stardust surinkėjas grįžta namo, „Elementai“, 2006-01-14) naudojant erdvėlaivį „Stardust“. Jo surinkimo prietaisas buvo aerogelio blokas, į kurį patekusios dulkių dalelės sustojo kelių milijardų pagreičiu. g, nesugriuvus (1C pav.).
Dar visai neseniai pagrindinis aerogelio trūkumas buvo jo trapumas: jis sutrūkinėjo nuo kartotinių apkrovų. Visi tuo metu gauti aerogeliai – iš kvarco, kai kurių metalų oksidų ir anglies – turėjo šį trūkumą. Tačiau atsiradus naujoms anglies medžiagoms – grafenui ir anglies nanovamzdeliams – buvo išspręsta elastingų ir lūžiams atsparių aerogelių gavimo problema.
Grafenas yra vieno atomo storio lakštas, kuriame anglies atomai sudaro šešiakampę gardelę (kiekviena gardelės ląstelė yra šešiakampė), o anglies nanovamzdelis yra tas pats lakštas, susuktas į cilindrą, kurio storis nuo vieno iki dešimčių nanometrų. Šios anglies formos pasižymi dideliu mechaniniu stiprumu, elastingumu, labai dideliu vidinio paviršiaus plotu, taip pat dideliu šilumos ir elektros laidumu.
Tačiau medžiagos, paruoštos atskirai nuo grafeno arba atskirai iš anglies nanovamzdelių, turi ir trūkumų. Taigi grafeno aerogelis, kurio tankis 5,1 mg/cm 3, nesugriuvo veikiant apkrovai, viršijančiai jo paties svorį 50 000 kartų, o suspaudus 80 % pradinio dydžio atkūrė savo formą. Tačiau dėl to, kad grafeno lakštai turi nepakankamą lenkimo standumą, jų tankio sumažėjimas pablogina grafeno aerogelio elastines savybes.
Iš anglies nanovamzdelių pagamintas aerogelis turi dar vieną trūkumą: jis yra standesnis, tačiau nuėmus apkrovą visiškai neatgauna savo formos, nes apkraunami nanovamzdeliai negrįžtamai išlinksta ir įsipainioja, o apkrova tarp jų prastai perduodama.
Prisiminkime, kad deformacija – tai fizinio kūno dalelių padėties pasikeitimas viena kitos atžvilgiu, o elastinė deformacija – deformacija, kuri išnyksta kartu su ją sukėlusios jėgos išnykimu. Kūno tamprumo „laipsnis“ (vadinamasis tamprumo modulis) nustatomas pagal priklausomybę nuo mechaninio įtempio, kuris atsiranda bandinio viduje, kai bandinio elastinei deformacijai veikia deformuojanti jėga. Įtempis šiuo atveju yra jėga, taikoma mėginiui ploto vienetui. (Nepainiokite su elektros įtampa!)
Kaip įrodė Kinijos mokslininkų grupė, šie trūkumai visiškai kompensuojami, jei ruošiant aerogelį vienu metu naudojamas grafenas ir nanovamzdeliai. Straipsnio autoriai aptarė m Pažangios medžiagos panaudotas vandeninis nanovamzdelių ir grafeno oksido tirpalas, iš kurio vanduo buvo pašalintas užšaldant ir sublimuojant ledą – liofilizavimas (taip pat žr. Liofilizavimas), kuris taip pat pašalina paviršiaus įtempimo poveikį, po kurio grafeno oksidas buvo chemiškai redukuotas į grafeną. . Gautoje struktūroje grafeno lakštai buvo karkasas, o nanovamzdeliai – kaip šių lakštų standikliai (2A, 2B pav.). Kaip parodė tyrimai elektroniniu mikroskopu, grafeno lakštai persidengia vienas su kitu ir sudaro trimatį karkasą, kurio poros svyruoja nuo dešimčių nanometrų iki dešimčių mikrometrų, o anglies nanovamzdeliai sudaro susipynusį tinklą ir tvirtai prilimpa prie grafeno lakštų. Tai, matyt, sukelia nanovamzdeliai, išstumiami augant ledo kristalams, kai pradinis tirpalas užšąla.
Mėginio tankis buvo 1 mg/cm3, neįskaitant oro (2C, 2D pav.). O remiantis skaičiavimais autorių pateiktame struktūriniame modelyje, minimalus tankis, kuriam esant iš panaudotų pradinių medžiagų aerogelis vis dar išlaikys struktūros vientisumą, yra 0,13 mg/cm 3 , o tai yra beveik 10 kartų mažesnis už tankį. oro! Autoriai sugebėjo paruošti sudėtinį 0,45 mg/cm 3 tankio aerogelį ir tik grafeno aerogelį, kurio tankis 0,16 mg/cm 3 , o tai yra mažiau nei ankstesnis rekordas, priklausantis ZnO aerogeliui, nusodintam ant substrato. iš dujinės fazės. Sumažinti tankį galima naudojant platesnius grafeno lakštus, tačiau tai sumažina gaunamos medžiagos standumą ir stiprumą.
Bandymo metu tokio sudėtinio aerogelio mėginiai išlaikė savo formą ir mikrostruktūrą po 1000 pakartotinių suspaudimų iki 50% pradinio dydžio. Gniuždymo stipris yra maždaug proporcingas aerogelio tankiui ir visuose mėginiuose palaipsniui didėja didėjant deformacijai (3A pav.). Temperatūros diapazone nuo –190°C iki 300°C gautų aerogelių elastinės savybės beveik nepriklauso nuo temperatūros.
Tempimo bandymas (3B pav.) buvo atliktas su 1 mg/cm3 tankio mėginiu, o mėginys atlaikė 16,5 % tempimą, o tai visiškai neįsivaizduojama oksidiniams aerogeliams, kurie ištempus iškart plyšta. Be to, standumas tempimo metu yra didesnis nei suspaudimo metu, tai yra, mėginys lengvai gniuždomas, bet sunkiai ištempiamas.
Autoriai šį savybių rinkinį paaiškino sinergistine grafeno ir nanovamzdelių sąveika, kurioje komponentų savybės papildo viena kitą. Anglies nanovamzdeliai, dengiantys grafeno lakštus, yra jungtis tarp gretimų lakštų, o tai pagerina apkrovos perdavimą tarp jų, taip pat yra pačių lakštų standikliai. Dėl šios priežasties apkrova lemia ne lakštų judėjimą vienas kito atžvilgiu (kaip aerogele, pagamintame iš gryno grafeno), o pačių lakštų elastingą deformaciją. O kadangi nanovamzdeliai tvirtai prilimpa prie lakštų, o jų padėtis nulemta lakštų padėties, jie nepatiria negrįžtamos deformacijos ir įsipainiojimo bei nejuda vienas kito atžvilgiu veikiami apkrovos, kaip neelastiniame aerogele, pagamintame tik iš nanovamzdelių. Aerogelis, sudarytas vienodai iš grafeno ir nanovamzdelių, pasižymi optimaliomis savybėmis, o padidėjus nanovamzdelių kiekiui, jie pradeda formuoti „raizginius“, kaip tik iš nanovamzdelių pagamintame aerogele, dėl kurio prarandamas elastingumas.
Be aprašytų elastingumo savybių, kompozitinis anglies aerogelis turi ir kitų neįprastų savybių. Jis yra laidus elektrai, o elektrinis laidumas keičiasi grįžtamai dėl elastinės deformacijos. Be to, grafeno ir anglies nanovamzdelio aerogelis atstumia vandenį, bet tuo pačiu puikiai sugeria organinius skysčius – vandenyje esantį 1,1 g tolueno 3,2 mg sveriančio aerogelio gabalėlis visiškai sugėrė per 5 sekundes (4 pav.). Tai atveria puikias galimybes likviduoti išsiliejusius naftos produktus ir išvalyti vandenį nuo organinių skysčių: vos 3,5 kg tokio aerogelio gali sugerti toną aliejaus, o tai 10 kartų daugiau nei komerciškai naudojamo absorbento talpa. Tuo pačiu metu iš kompozitinio aerogelio pagamintas absorbentas yra regeneruojamas: dėl savo elastingumo ir šiluminės varžos susigėrusį skystį galima išspausti kaip iš kempinės, o likusi dalis tiesiog sudeginama arba pašalinama išgarinant. Bandymai parodė, kad savybės išlieka po 10 tokių ciklų.
Anglies formų įvairovė ir unikalios šių formų bei iš jų gaunamų medžiagų savybės ir toliau stebina tyrinėtojus, todėl ateityje galime tikėtis vis daugiau atradimų šioje srityje. Kiek daug dalykų galima pagaminti iš vieno cheminio elemento!
Grafeno ir anglies nanovamzdelių derinys leido gauti anglies aerogelį be aerogelių, pagamintų tik iš grafeno arba tik iš nanovamzdelių, trūkumų. Naujoji anglies kompozitinė medžiaga, be įprastų visiems aerogeliams savybių – itin mažo tankio, kietumo ir žemo šilumos laidumo – taip pat pasižymi dideliu elastingumu (sugebėjimu atstatyti formą po pakartotinio suspaudimo ir tempimo) bei puikiu gebėjimu sugerti organinius skysčius. . Pastaroji savybė gali būti pritaikyta reaguojant į naftos išsiliejimą.
Įsivaizduokime, kad uždarą indą kaitiname skysčiu ir šio skysčio garais. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo daugiau skysčio išgaruos, virsdamas dujine faze, ir tuo didesnis bus slėgis, o kartu ir dujų fazės tankis (tiesą sakant, išgaravusių molekulių skaičius). Esant tam tikram slėgiui ir temperatūrai, kurios vertė priklausys nuo to, kokios medžiagos yra inde, molekulių tankis skystyje bus toks pat kaip ir dujų fazėje. Tokia skysčio būsena vadinama superkritinis. Šioje būsenoje nėra skirtumo tarp skysčio ir dujų fazių, todėl nėra paviršiaus įtempimo.
Dar lengvesni (mažiau tankūs) aerogeliai gaunami cheminiu būdu nusodinant medžiagą, kuri veiks kaip kieta aerogelio fazė ant anksčiau paruošto porėto pagrindo, kuris vėliau ištirpinamas. Šis metodas leidžia reguliuoti kietosios fazės tankį (reguliuojant nusėdusios medžiagos kiekį) ir jos struktūrą (naudojant reikiamos struktūros substratą).
Dėl savo struktūros aerogeliai turi unikalių savybių rinkinį. Nors jų stiprumas artimas kietųjų kūnų stiprumui (1A pav.), jų tankis panašus į dujų tankį. Taigi geriausių kvarco aerogelio mėginių tankis yra apie 2 mg/cm 3 (į sudėtį įtraukto oro tankis yra 1,2 mg/cm 3), o tai yra tūkstantį kartų mažesnis nei neakytų kietų medžiagų. .
Aerogeliai taip pat turi labai mažą šilumos laidumą (1B pav.), nes šiluma turi keliauti sudėtingu keliu per šakotą labai plonų nanodalelių grandinių tinklą. Tuo pačiu metu šilumos perdavimas per oro fazę taip pat yra sunkus dėl to, kad tos pačios grandinės neleidžia konvekcijai, be kurios oro šilumos laidumas yra labai mažas.
Kita aerogelio savybė – nepaprastas poringumas – leido į Žemę nugabenti tarpplanetinių dulkių mėginius (žr. Stardust surinkėjas grįžta namo, „Elementai“, 2006-01-14) naudojant erdvėlaivį „Stardust“. Jo surinkimo prietaisas buvo aerogelio blokas, į kurį patekusios dulkių dalelės sustojo kelių milijardų pagreičiu. g, nesugriuvus (1C pav.).
Dar visai neseniai pagrindinis aerogelio trūkumas buvo jo trapumas: jis sutrūkinėjo nuo kartotinių apkrovų. Visi tuo metu gauti aerogeliai – iš kvarco, kai kurių metalų oksidų ir anglies – turėjo šį trūkumą. Tačiau atsiradus naujoms anglies medžiagoms – grafenui ir anglies nanovamzdeliams – buvo išspręsta elastingų ir lūžiams atsparių aerogelių gavimo problema.
Grafenas yra vieno atomo storio lakštas, kuriame anglies atomai sudaro šešiakampę gardelę (kiekviena gardelės ląstelė yra šešiakampė), o anglies nanovamzdelis yra tas pats lakštas, susuktas į cilindrą, kurio storis nuo vieno iki dešimčių nanometrų. Šios anglies formos pasižymi dideliu mechaniniu stiprumu, elastingumu, labai dideliu vidinio paviršiaus plotu, taip pat dideliu šilumos ir elektros laidumu.
Tačiau medžiagos, paruoštos atskirai nuo grafeno arba atskirai iš anglies nanovamzdelių, turi ir trūkumų. Taigi grafeno aerogelis, kurio tankis 5,1 mg/cm 3, nesugriuvo veikiant apkrovai, viršijančiai jo paties svorį 50 000 kartų, o suspaudus 80 % pradinio dydžio atkūrė savo formą. Tačiau dėl to, kad grafeno lakštai turi nepakankamą lenkimo standumą, jų tankio sumažėjimas pablogina grafeno aerogelio elastines savybes.
Iš anglies nanovamzdelių pagamintas aerogelis turi dar vieną trūkumą: jis yra standesnis, tačiau nuėmus apkrovą visiškai neatgauna savo formos, nes apkraunami nanovamzdeliai negrįžtamai išlinksta ir įsipainioja, o apkrova tarp jų prastai perduodama.
Prisiminkime, kad deformacija – tai fizinio kūno dalelių padėties pasikeitimas viena kitos atžvilgiu, o elastinė deformacija – deformacija, kuri išnyksta kartu su ją sukėlusios jėgos išnykimu. Kūno tamprumo „laipsnis“ (vadinamasis tamprumo modulis) nustatomas pagal priklausomybę nuo mechaninio įtempio, kuris atsiranda bandinio viduje, kai bandinio elastinei deformacijai veikia deformuojanti jėga. Įtempis šiuo atveju yra jėga, taikoma mėginiui ploto vienetui. (Nepainiokite su elektros įtampa!)
Kaip įrodė Kinijos mokslininkų grupė, šie trūkumai visiškai kompensuojami, jei ruošiant aerogelį vienu metu naudojamas grafenas ir nanovamzdeliai. Straipsnio autoriai aptarė m Pažangios medžiagos panaudotas vandeninis nanovamzdelių ir grafeno oksido tirpalas, iš kurio vanduo buvo pašalintas užšaldant ir sublimuojant ledą – liofilizavimas (taip pat žr. Liofilizavimas), kuris taip pat pašalina paviršiaus įtempimo poveikį, po kurio grafeno oksidas buvo chemiškai redukuotas į grafeną. . Gautoje struktūroje grafeno lakštai buvo karkasas, o nanovamzdeliai – kaip šių lakštų standikliai (2A, 2B pav.). Kaip parodė tyrimai elektroniniu mikroskopu, grafeno lakštai persidengia vienas su kitu ir sudaro trimatį karkasą, kurio poros svyruoja nuo dešimčių nanometrų iki dešimčių mikrometrų, o anglies nanovamzdeliai sudaro susipynusį tinklą ir tvirtai prilimpa prie grafeno lakštų. Tai, matyt, sukelia nanovamzdeliai, išstumiami augant ledo kristalams, kai pradinis tirpalas užšąla.
Mėginio tankis buvo 1 mg/cm3, neįskaitant oro (2C, 2D pav.). O remiantis skaičiavimais autorių pateiktame struktūriniame modelyje, minimalus tankis, kuriam esant iš panaudotų pradinių medžiagų aerogelis vis dar išlaikys struktūros vientisumą, yra 0,13 mg/cm 3 , o tai yra beveik 10 kartų mažesnis už tankį. oro! Autoriai sugebėjo paruošti sudėtinį 0,45 mg/cm 3 tankio aerogelį ir tik grafeno aerogelį, kurio tankis 0,16 mg/cm 3 , o tai yra mažiau nei ankstesnis rekordas, priklausantis ZnO aerogeliui, nusodintam ant substrato. iš dujinės fazės. Sumažinti tankį galima naudojant platesnius grafeno lakštus, tačiau tai sumažina gaunamos medžiagos standumą ir stiprumą.
Bandymo metu tokio sudėtinio aerogelio mėginiai išlaikė savo formą ir mikrostruktūrą po 1000 pakartotinių suspaudimų iki 50% pradinio dydžio. Gniuždymo stipris yra maždaug proporcingas aerogelio tankiui ir visuose mėginiuose palaipsniui didėja didėjant deformacijai (3A pav.). Temperatūros diapazone nuo –190°C iki 300°C gautų aerogelių elastinės savybės beveik nepriklauso nuo temperatūros.
Tempimo bandymas (3B pav.) buvo atliktas su 1 mg/cm3 tankio mėginiu, o mėginys atlaikė 16,5 % tempimą, o tai visiškai neįsivaizduojama oksidiniams aerogeliams, kurie ištempus iškart plyšta. Be to, standumas tempimo metu yra didesnis nei suspaudimo metu, tai yra, mėginys lengvai gniuždomas, bet sunkiai ištempiamas.
Autoriai šį savybių rinkinį paaiškino sinergistine grafeno ir nanovamzdelių sąveika, kurioje komponentų savybės papildo viena kitą. Anglies nanovamzdeliai, dengiantys grafeno lakštus, yra jungtis tarp gretimų lakštų, o tai pagerina apkrovos perdavimą tarp jų, taip pat yra pačių lakštų standikliai. Dėl šios priežasties apkrova lemia ne lakštų judėjimą vienas kito atžvilgiu (kaip aerogele, pagamintame iš gryno grafeno), o pačių lakštų elastingą deformaciją. O kadangi nanovamzdeliai tvirtai prilimpa prie lakštų, o jų padėtis nulemta lakštų padėties, jie nepatiria negrįžtamos deformacijos ir įsipainiojimo bei nejuda vienas kito atžvilgiu veikiami apkrovos, kaip neelastiniame aerogele, pagamintame tik iš nanovamzdelių. Aerogelis, sudarytas vienodai iš grafeno ir nanovamzdelių, pasižymi optimaliomis savybėmis, o padidėjus nanovamzdelių kiekiui, jie pradeda formuoti „raizginius“, kaip tik iš nanovamzdelių pagamintame aerogele, dėl kurio prarandamas elastingumas.
Be aprašytų elastingumo savybių, kompozitinis anglies aerogelis turi ir kitų neįprastų savybių. Jis yra laidus elektrai, o elektrinis laidumas keičiasi grįžtamai dėl elastinės deformacijos. Be to, iš grafeno ir anglies nanovamzdelių pagamintas aerogelis atstumia vandenį, bet tuo pačiu puikiai sugeria organinius skysčius – 1,1 g tolueno vandenyje, 3,2 mg sveriančio aerogelio gabalėlis visiškai sugėrė per 5 sekundes (4 pav.). Tai atveria puikias galimybes likviduoti išsiliejusius naftos produktus ir išvalyti vandenį nuo organinių skysčių: vos 3,5 kg tokio aerogelio gali sugerti toną aliejaus, o tai 10 kartų daugiau nei komerciškai naudojamo absorbento talpa. Tuo pačiu metu iš kompozitinio aerogelio pagamintas absorbentas yra regeneruojamas: dėl savo elastingumo ir šiluminės varžos susigėrusį skystį galima išspausti kaip iš kempinės, o likusi dalis tiesiog sudeginama arba pašalinama išgarinant. Bandymai parodė, kad savybės išlieka po 10 tokių ciklų.
Anglies formų įvairovė ir unikalios šių formų bei iš jų gaunamų medžiagų savybės ir toliau stebina tyrinėtojus, todėl ateityje galime tikėtis vis daugiau atradimų šioje srityje. Kiek daug dalykų galima pagaminti iš vieno cheminio elemento!
Aerogeliai (iš lot. aer- oro ir želė- sušaldyta) - medžiagų klasė, kuri yra gelis, kuriame skystoji fazė visiškai pakeičiama dujine faze, dėl kurios medžiagos tankis yra rekordiškai mažas, tik pusantro karto didesnis už oro tankį ir daugybė kitų unikalių savybių: kietumas, skaidrumas, atsparumas karščiui, itin žemas šilumos laidumas ir vandens neįgeriamumas.
Bendras aerogelio vaizdas
Aerogelis išskirtinis ir tuo, kad susideda iš 99,8%... oro!
Įprasti aerogeliai, kurių pagrindą sudaro amorfinis silicio dioksidas, aliuminio oksidas, chromas ir alavo oksidai. Dešimtojo dešimtmečio pradžioje buvo gauti pirmieji anglies pagrindu pagaminto aerogelio pavyzdžiai.
„Airgel“ yra labai neįprastas žmogaus rankų kūrinys, medžiaga, už savo unikalias savybes įvertinta 15 pozicijų Gineso rekordų knygoje.
Aerogeliai priklauso mezoporinių medžiagų klasei, kurioje ertmės užima ne mažiau kaip 50% tūrio. Aerogelių struktūra yra į medį panašus tinklas, susidedantis iš 2–5 nm dydžio nanodalelių, kurių poros yra iki 100 nm.
Liečiant aerogeliai primena lengvą, bet kietą putą, kažką panašaus į putų polistireną. Esant didelei apkrovai, aerogelis trūkinėja, tačiau apskritai tai labai patvari medžiaga – aerogelio mėginys gali atlaikyti 2000 kartų didesnę apkrovą nei jo paties svoris. Aerogeliai, ypač kvarciniai, yra geri šilumos izoliatoriai.
Kvarciniai aerogeliai yra labiausiai paplitę, jiems taip pat priklauso dabartinis mažiausio tankio kietosiose medžiagose rekordas - 1,9 kg/m³, o tai 500 kartų mažesnis už vandens tankį ir tik 1,5 karto didesnis už oro tankį.
Kvarciniai aerogeliai populiarūs ir dėl itin mažo šilumos laidumo (~0,017 W/(m.K) ore esant normaliam atmosferos slėgiui), mažesnio už oro šilumos laidumą (0,024 W/(m.K)).
„Airgel“ naudojimas
Aerogeliai naudojami statybose ir pramonėje kaip šilumą izoliuojančios ir šilumą sulaikančios medžiagos plieninių vamzdynų, įvairių įrenginių, kuriuose vyksta aukštos ir žemos temperatūros procesai, pastatų ir kitų objektų šilumos izoliacija. Jis gali atlaikyti iki 650°C temperatūrą, o 2,5 cm storio sluoksnio pakanka apsaugoti žmogaus ranką nuo tiesioginio degiklio poveikio.
Kvarcinio aerogelio lydymosi temperatūra yra 1200°C.
Aerogelio gamyba
Aerogelių gamybos procesas yra sudėtingas ir daug darbo reikalaujantis. Pirma, gelis polimerizuojasi naudojant chemines reakcijas. Ši operacija trunka keletą dienų, o išeiga yra į želė panašus produktas. Tada vanduo iš želė pašalinamas alkoholiu. Visiškas jo pašalinimas yra viso proceso sėkmės raktas. Kitas žingsnis yra „superkritinis“ džiovinimas. Jis gaminamas autoklave esant aukštam slėgiui ir temperatūrai, naudojant suskystintą anglies dioksidą.
Aerogelio išradimo pradininku laikomas chemikas Stevenas Kistleris iš Ramiojo vandenyno koledžo Stoktone, Kalifornijoje, JAV, kuris savo rezultatus paskelbė 1931 m. žurnale Nature.
Kistleris gelyje esantį skystį pakeitė metanoliu, o po to gelį kaitino esant slėgiui, kol buvo pasiekta kritinė metanolio temperatūra (240°C). Metanolis paliko gelį nesumažindamas tūrio; Atitinkamai, gelis „išdžiūvo“, beveik nesusitraukdamas.
